Những vấn đề địa kỹ thuật khi thiết kế và thi công đào hố móng sâu tại khu vực TPHCM

Các trạng thái cân bằng giới hạn có thể dẫn đến mất ổn định ở hố móng Khi thiết kế tường chắn và kết cấu chống đỡ vách hố móng sâu bắt buộc phải xác định áp lực đất và sự phân bố của ch

NHỮNG VẤN ĐỀ ĐỊA KỸ THUẬT KHI THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐÀO HỐ MÓNG SÂU

TẠI KHU VỰC TP HỒ CHÍ MINH

PGS TS ĐẶNG HỮU DIỆP

Giám đốc Liên hiệp Địa chất Công trình

xây dựng và môi trường

Trong điều kiện ở thành phố, mặt bằng công trình chật hẹp, khi xây dựng các công trình cao tầng, đường xe ngầm, bãi đậu xe ngầm… thường phải bắt buộc thi công đào hố móng sâu, các kỹ sư phải đối mặt với nhiều bài toán phức tạp, nếu không thận trọng sẽ có những sự cố xảy ra, nhiều khi gây ra hậu quả nghiêm trọng Những sự cố công trình đã xảy ra trong thời gian gần đây ở TP Hồ Chí Minh đã cho thấy rõ điều đó

I NHỮNG VẤN ĐỀ ĐỊA KỸ THUẬT TRONG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ĐÀO HỐ MÓNG SÂU

I-1 Thiết kế thi công đào hố móng sâu:

Khi thi công đào hố móng sâu, trạng thái ứng suất trong nền đất sẽ thay đổi, từ đó đất nền sẽ biến dạng dẫn tới khả năng mất ổn định Thêm vào đó nước ngầm trong nền đất cũng là một yếu tố tạo nên trạng thái mất ổn định Chính vì vậy mà khi tiến hành đào hố móng sâu bắt buộc phải thiết kế các kết cấu chống đỡ vách hố móng và đáy hố móng Tác dụng qua lại giữa áp lực đất và nước ngầm với hệ thống tường chắn và kết cấu khung chống đỡ vách sẽ có thể dẫn đến những trạng thái giới hạn khác nhau Yêu cầu hàng đầu đối với thiết kế tường chắn và khung chống đỡ vách hố móng là không để xảy ra phá hoại trạng thái cân bằng giới hạn, từ đó gây mất ổn định bản thân vách và đáy hố móng, đồng thời còn có thể làm mất ổn định các công trình kề cận Biểu hiện chủ yếu của trạng thái cân bằng giới hạn bị phá hoại là mất cân bằng tĩnh lực, kết cấu chống đỡ bị phá vỡ, kể cả việc không khống chế được tác dụng của nước ngầm Hình vẽ dưới đây cho thấy những trường hợp trạng thái cân bằng giới hạn bị phá hoại

Hình 1 Các trạng thái cân bằng giới hạn có thể dẫn đến mất ổn định ở hố móng

Khi thiết kế tường chắn và kết cấu chống đỡ vách hố móng sâu bắt buộc phải xác định áp lực đất và sự phân bố của chúng theo phương thẳng đứng Mặc dù có thể dựa vào

các công thức để tính ra áp lực đất tĩnh lớn hơn áp lực chủ động và áp lực bị động, nhưng trong thực tế phức tạp hơn nhiều, nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố

1- Áp lực đất tác dụng lên kết cấu chống đỡ vừa phụ thuộc tính chất cơ – lý của đất, trị  và c, vừa phụ thuộc vào tính chất của kết cấu chống đỡ, nhất là độ cứng của kết cấu Trên thực tế trị lớn nhỏ của áp lực đất và trạng thái phân bố của chúng là kết quả tác dụng tương hỗ giữa khối đất tạo vách hố móng và kết cấu chống đỡ vách hố móng Trong thiết kế cần phải xét đến yếu tố này

2- Khác với thiết kế các loại tường chắn thông thường, đối với kết cấu chống đỡ vách hố móng sâu phải hạn chế nghiêm ngặt sự biến dạng chuyển vị của kết cấu chống đỡ, đặc biệt là khi bên cạnh vách hố móng đang chịu tác dụng ảnh hưởng của những công trình hiện hữu Sự biến dạng chuyển vị này không được lớn hơn một giá trị có thể gây ra áp lực đất chủ động và bị động Việc xác định giá trị chuyển vị cho phép này phải dựa vào tính toán và kinh nghiệm thực tế để phán đoán Vì vậy mặc dù trong các tài liệu qui phạm khảo sát thiết kế kết cấu chống đỡ vách hố móng sâu có đưa ra các số liệu kinh nghiệm, nhưng trong thực tế cần tăng cường công tác thực nghiệm, đặc biệt là cần tích lũy những kinh nghiệm của từng địa phương nhằm đạt được mục tiêu vừa kinh tế vừa hiệu quả

Đối với đồ thị phân bố của áp lực đất, thông thường là phân bố theo hình tam giác nếu chuyển vị ở đầu trên lớn hơn ở đầu dưới, đồng thời dựa theo công thức thông thường mà tính toán Tuy nhiên gặp một vài trường hợp tường chắn cắm vào đất không đủ sâu hoặc đất ở đáy hố quá mềm, bấy giờ chuyển vị ở đầu dưới sẽ vượt quá chuyển vị ở đầu trên, và áp lực đất sẽ phân bố theo hình parabol Trong thiết kế kết cấu chống đỡ hố móng sâu nên chú ý những trường hợp như vậy

Đối với kết cấu mềm, do bản thân nó biến dạng khá phức tạp nên áp lực đất phân bố cũng phức tạp



      a   



Hình vẽ 2 Sự phân bố ứng suất ở vách hố móng

a) Trường hợp kết cấu chống đỡ cứng b) Trường hợp kết cấu chống đỡ mềm

Tóm lại sơ đồ phân bố áp lực đất theo chiều sâu chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như tính chất cơ – lý của đất, độ cứng của hệ kết cấu chống đỡ, chất lượng thi công công trình… Vì vậy không nên máy móc áp dụng công thức sách vở để tính toán thiết kế như nhau trong mọi trường hợp, mà phải xem xét từng trường hợp cụ thể Đặc biệt là đối với những trường hợp thiết kế thi công đào hố móng sâu trong nội thị, chẳng những chịu tác dụng tải trọng của các công trình cận kề, mà còn chịu tác dụng của xe cộ vật tư tập kết trên thành hố móng để thi công công trình

Cho đến hiện nay người ta chưa tìm được một phương pháp tin cậy để tính đúng mức độ chuyển vị của vách hố móng và kết cấu chống đỡ Chỉ biết rằng những chuyển vị này thường chịu ảnh hưởng của các yếu tố như tính chất cơ – lý của đất tạo vách và đáy hố móng, chiều sâu của vách hố móng, loại hình kết cấu chống đỡ và chất lượng thi công lắp đặt các kết cấu chống đỡ Kinh nghiệm ở nhiều nước cho thấy có thể khống chế mức độ chuyển vị của các kết cấu chống đỡ ở mức thấp nhất bằng các biện pháp như sau:

1 Thi công lắp đặt các kết cấu chống đỡ thật kịp thời và nhanh chóng

2 Nâng cao chất lượng thi công lắp đặt kết cấu chống đỡ

3 Cố gắng áp dụng hệ kết cấu dự ứng lực

Ngoài vấn đề chuyển vị mất ổn định ở vách hố móng sâu, người ta còn chú ý đến ổn định ở đáy hố móng Đối với vấn đề này có 2 trường hợp khác nhau: trường hợp hố móng sâu trong đất sét và trường hợp trong đất cát

Khi đào hố móng sâu trong đất sét sẽ làm cho trạng thái ứng suất trong nền đất biến đổi, đẫn đến hiện tượng bục đáy do mất khả năng chịu tải âm (Negative bearing capacity failure)



qs

 H+qs

0

N





M





Hình vẽ 3 Sơ đồ kiểm toán ổn định đáy hố móng trong đất sét

Trong trường hợp này Terzaghi đã đưa ra công thức để tính hệ số an toàn chống bục đáy như sau:

(1)

H s C B s q H

B c N b

C Fsb







) 7 , 0 )(

(

) 7 , 0 )(

(



Tức

(2)

Trong đó Cs và Cb là trị trung bình lực dính kết của đất nằm trên và nằm dưới mặt

đáy hố móng

Thực chất công thức trên là để kiểm tra ổn định trượt dưới tác dụng gây ra bởi

trọng lượng H của khối đất MNOP cộng với tải trọng phụ gia qs tác dụng trên bề mặt MN

(hình vẽ 3)

Trong trường hợp đất cát thì mất ổn định của đáy hố móng là do không khống chế

được tác dụng của nước ngầm Việc khống chế tác dụng của nước ngầm có 2 trường hợp

Trường hợp thứ nhất khi độ dốc thủy lực của dòng thấm nước ngầm ở đáy hố móng lớn

hơn độ dốc thủy lực giới hạn, từ đó gây ra hiện tượng xói ngầm bục đáy (hình vẽ 4a) ở

trường hợp này hệ số an toàn được tính theo công thức dưới đây và giá trị của nó là 2.5

Hình 4a Trường hợp đáy hố móng nằm lọt trong tầng chưá nước

(3) Trong đó bvàw là dung trọng của đất ở đáy hố móng và tỉ trọng của nước, I là độ

dốc thủy lực của dòng thấm ở đáy hố móng

Trường hợp thứ hai (hình vẽ 4b) do áp lực thủy tĩnh ở dưới đáy hố móng quá lớn

làm cho lớp đất sét cách nước bên trên bị bục vỡ gây mất ổn định

s

C B

H s

q H

c N b

C Fsb

4 , 1 )





w

I

b F





.



h

Hình 4b Trường hợp đáy hố móng có lớp sét cách ly tầng chưá nước

Trong trường hợp này sự mất ổn định đáy hố móng dẫn đến bục dáy được kiểm tra bằng phương trình cân bằng giữa bề dày lớp đất cách nước ở đáy hố móng với chiều cao cột nước có áp, tức

bH = wh hoặc

từ đó ta có thấy (4) nếu

đáy hố móng sẽ ổn định (5)

nếu

đáy hố móng mất ổn định, xảy ra bục đáy (6)

Trong các công thức trên H là bề dày lớp đất sét cách nước ở đáy hố móng; h là chiều cao cột nước có áp so với mặt đỉnh của tầng chứa nước (tầng cát)

Biện pháp phòng tránh trong trường hợp thứ nhất là thực hiện các giải pháp kỹ thuật để hạn chế nước ngầm chảy vào hố móng Đặc biệt chú ý trong trường hợp này nhất thiết không nên áp dụng giải pháp kỹ thuật bơm hút nước tháo khô đáy hố móng có thể gây mất ổn định chẳng những cho đáy hố móng, mà còn có thể gây biến dạng nền đất xung quanh và mất ổn định cho các công trình hiện hữu cận kề xung quanh Trong trường hợp thứ hai trước hết phải kiểm toán khả năng bục đáy mất ổn định, nếu có khả năng bục đáy thì giải pháp kỹ thuật hữu hiệu là tạo các giếng bơm bên ngoài vách hố móng để hạ

h w H b

.







h w H b

.







h w H b

.







thấp chiều cao cột nước có áp xuống thấp hơn mặt đáy hố móng, sau đó mới tiến hành thi công đào hố móng

Trong thiết kế thi công hố móng sâu cần phải chú ý đến sự ổn định an toàn của những công trình cận kề Để khẳng định sự cần thiết hay không phải có những giải pháp kỹ thuật cụ thể để chống đỡ nền móng của các công trình cận kề cần phải đánh giá mức độ quan trọng của chúng, vị trí tương đối của chúng so với vị trí hố móng sâu, dồng thời phải căn cứ vào mặt cắt địa chất và tính chất cơ lý của đất nền Trường hợp không có kinh phí thí nghiệm thì có thể dựa vào sơ đồ như sau (hình vẽ 5) để đi đến quyết định

1

2

A B C

Tường chắn đỡ kiên cố

Đáy hố móng

0.6m

Một khi cần thiết phải chống đỡ nền móng của công trình cận kề lọt vào phạm vi của khu A và B thì thiết kế phải xét đến tác dụng của tải trọng của nền móng cận kề đối với kết cấu tường chắn chống đỡ vách hố móng sâu

Yêu cầu cần thiết phải xử lý gia cố trước đối với các công trình nằm trong các vùng chịu ảnh hưởng của thi công hố móng sâu

Cấp mức độ quan trọng

Cấp 1……… Cần biện pháp chống đỡ Cần xem xét kỹ để quyết định Thông thường không cần chống đỡ

Cấp 2……… Cần biện pháp chống đỡ Cần xem xét kỹ để quyết định Không cần chống đỡ

Cấp 3……… Cần xem xét kỹ để quyết định

Thông thường không cần chống đỡ

Không cần chống đỡ

I-2 Khảo sát địa kỹ thuật để thiết kế thi công đào hố móng sâu:

Thiết kế thi công đào hố móng sâu phải có những căn cứ đầy đủ dựa trên những tài liệu khảo sát địa kỹ thuật, trong đó cần chú ý những điểm như sau:

1/ Cần phải tiến hành khảo sát sơ bộ để biết cần thiết hay không để ra giải pháp tuờng chắn chống đỡ giữ ổn định khi thi công đào hố móng sâu Ở giai đoạn khảo sát tỉ mĩ tiếp theo cần phải tiến hành khảo sát thí nghiệm chuyên biệt cho thiết kế thi công đào hố móng sâu

2/ Quyết định phạm vi khảo sát phải dựa vào qui mô kích thước rộng hẹp và chiều sâu khai đào, đồng thời phải dựa vào điều kiện địa chất công trình của địa điểm công trình Vị trí các hố khoan khảo sát thí nghiệm phải có những hố khoan đặt ra ngoài phạm

vi đào hố móng sâu tương đương 1-2 lần độ sâu đào hố móng, nếu đất nền mếm yếu thì phạm vi mở rộng khảo sát có thể xem xét nới thêm đến 4 lần chiều sâu Bởi vì đất sét yếu bão hòa chịu nhiều ảnh hưởng của thi công đào hố móng và sự biến đổi của nước ngầm ví chúng sẽ biến đổi tính chất cơ lý ở những mức độ khác nhau, đặc biệt khi thiết kế kết cấu

vì neo chống đỡ Chiều sâu khảo sát phải đáp ứng yêu cầu của tíinh toán đánh giá ổn định và thiết kế tưởng chắn kết cấu chống đỡ

3/ Kết quả khảo sát cho biết rõ cấu tạo địa tầng, tính chất cơ lý của đất, căn cứ đòi hỏi của thiết kế để xác định cường độ kháng cắt thoát nước hay không thoát nước của đất, nhiều trường hợp phải xác định cường độ kháng cắt của đất theo phương pháp hữu hiệu Tuy việc thiết kế thi công đào hố móng sâu không dùng trực tiếp các chỉ tiêu nén lún và đàn hồi nở của đất nhưng những tính chất này có tính chất tham khảo rất lớn trong việc đánh giá khả năng bùng nền đáy hố, khả năng trương nở đàn hồi, đánh giá ảnh hưởng của thi công đào hố móng sâu đối với công trình cận kề Có điều kiện thì cần phải tiến hành thí nghiệm tại hiện trường xác định hệ số áp lực ngang tĩnh Phải xác định sự biến đổi tính chất cơ lý của đất do trạng thái ứng suất ở vách hố biến đổi và trạng thái của nước ngầm biến đổi Những trường hợp hiện diện các loại đất đặc biệt như đất lún ướt, đất trương nở, đất yếu bão hòa… Cần đánh giá đầy đủ sự biến đổ tính chất của chúng

4/ Khảo sát cần làm rõ các đặc trưng của nước ngầm, bao gồm quy luật phân bố tầng chứa nước, chiều sâu mực nước, tốc độ vận động, hướng vận động, hệ số thầm, nguồn bổ cập và điều kiện thoát Những số liệu này là căn cứ quan trọng để thiết kế biện pháp khống chế ảnh hưởng của nước ngầm

5/ Công tác khảo sát còn phải chú ý đến các công trình cận kề hiện hữu, nội dung bao gồm kiểu kết cấu công trình, kiểu dạng nền móng, chiều sâu đáy móng, hiện trạng và bao gồm kiểu kết cấu công trình, kiểu dạng nền móng, chiều sâu đáy móng, hiện trạng và ảnh hưởng có thể có như chấn động, mực nước ngầm biền đổi, tính chất của đất biến đổi Ngoài ra còn chú ý đến các dạng công trình ngầm như đường ống, đường dây cáp, bởi chúng chịu ảnh hưởng và có thể gây trở ngại cho thi công

6/ Hồ sơ kết quả khảo sát ngoài những nội dung về địa chất công trình ra, còn phải nêu rõ điều kiện mặt bằng, nêu các kiến nghị về giải pháp chống đỡ, những nguyên tắc tính toán thiết kế, giải pháp khống chế nước ngầm, cần thiết hay không tiến hành thí nghiệm hiện trường, những yêu cầu đối với giám sát thi công

I-3 Công tác giám sát thi công đào hố móng sâu:

Thi công đào hố móng sâu nếu xảy ra sự cố sẽ đưa đến nhiều tổn thất, đặc biệt nếu ảnh hưởng đến công trình cận kề cũng có thể đưa đến tai họa lớn Chính vì vậy trong quá trình thi công cần phải thực hiện công tác giám sát và kiểm tra, kịp thời phát hiện các sai sót trong thi công Nội dung giám sát kiểm tra như sau:

1/ Giám sát kiểm tra việc thi công lắp đặt các kết cấu chống đỡ, kiểm tra kích cỡ, quy cách, chất lượng của kết cấu, phương pháp thi công, trình tự thi công có phù hợp với thiết kế hay không?

2/ Kiểm tra biến dạng của nền đất và chuyển vị của kết cấu

3/ Theo dõi kiểm tra việc thực hiện các giải pháp kỹ thuật nhằm khống chế ảnh hưởng của nước ngầm, theo dõi sự biến đổi của mực nước ngầm và áp lực nước lổ rỗng trong nền đất, đặc biệt chú ý những tác động ảnh hưởng do thi công gây ra, đồng thời hết sức chú ý các hiện tượng đang phát sinh

4/ Giám sát theo dõi các công trình cận kề, nhất là những công trình lớn và quan trọng, chú ý phát hiện các hiện tượng xảy ra như lún, nứt, nghiêng…

Kinh nghiệm cho thấy cần phải theo dõi những thay đổi về điều kiện thi công, việc tập kết vật tư thiết bị tại hiện trường thi công, tình trạng hư hỏng các đường ống, nước thải tràn ngập, thời tiết mưa nắng đột ngột… ghi chép đầy đủ các hiện tượng bất thường như nứt đất, kết cấu chống đỡ sai lệch bất thường, cát chảy, xói ngầm,… đồng thời kịp thời cảnh báo để có thể kịp thời xử lý, hạn chế những tổn thất do sự cố gây ra

II KHẢ NĂNG XẢY RA SỰ CỐ CÔNG TRÌNH TẠI KHU VỰC TP HỒ CHÍ MINH:

II-1 Điều kiện địa chất công trình khu vực TP Hồ Chí Minh:

Trên bản đồ phân vùng địa chất công trình khu vực TP Hồ Chí Minh do PGS TS Đặng Hữu Diệp thành lập lần đầu tiên vào năm 1982 đã chỉ rõ đặc điểm nổi bật của điều kiện địa chất công trình khu vực TP Hồ Chí Minh là thể hiện tính phân vùng rất rõ rệt, gồm 3 vùng được ký hiệu bằng kí tự A, B và C Vùng A được cấu tạo bằng đá gốc, tuy nhiên là địa hình đồi dốc với diện tích phân bố nhỏ hẹp, nên không có ý nghĩa về mặt quy hoạch xây dựng công trình Vì vậy trên toàn bộ diện tích khu vực TP Hồ Chí Minh chủ yếu gồm 2 vùng B và vùng C

Hình 6 Bản đồ phân vùng ĐCCT khu vực TP.Hồ Chí Minh

Cấu tạo đất nền của vùng B thường gặp đất sét, sét pha cát, cát pha sét và đất cát

Ở đây hiện diện tầng nước ngầm khá phong phú, có nơi là nước có áp nhẹ, mực nước ngầm ở độ sâu 0,5 mét, 2,0 mét 5 mét và 10 mét tùy theo cao độ địa hình, độ pH=6, có khả năng ăn mòn CO2 trong vùng B khá phổ biến các hiện tượng rửa trôi bề mặt tạo mương xói, hiện tượng lún ướt, hiện tượng xói ngầm và cát chảy Điều kiện địa chất công trình vúng B được đánh giá là thuận lợi, tuy nhiên cũng cần phải có những biện pháp kỹ thuật tương ứng để loại trừ ảnh hưởng của các hiện tượng địa chất như mương xói, lún ướt, xói ngầm, cát chảy để đảm bảo sự ổn định của công trình xây dựng

Cấu tạo đất nền của vùng C gồm đất sét, sét pha cát, cát mịn và cát thô chúng phần lớn đều có trạng thái bảo hòa nước, đây là những loại đất yếu, độ rỗng lớn, xốp, có khả năng chịu tải rất thấp Trong vùng C có tầng nước ngầm với mức độ chứa nước không phong phú, mực nước ngầm nông gần sát bề mặt địa hình, chủ yếu là nước Cl-Na, hàm lượng sắt cao, độ pH rất thấp, chịu ảnh hưởng sâu sắc của nước phèn và mặn, có khả năng ăn mòn CO2, ăn mòn sun-phát, ăn mòn acid, phổ biến các hiện tượng địa chất như lầy hóa, cát chảy, xói ngầm, xúc biến, đặc biệt là hiện tượng xâm thực bờ Điều kiện địa chất công trình vùng C được đánh giá là không đồng nhất, kém thuận lợi hoặc không thuận lợi, rất khó khăn, các hiện tượng địa chất đều có khả năng uy hiếp sự ổn định của công trình

II-2 Những sự cố công trình tiềm ẩn khi thi công đào hố móng sâu tại khu vực TP Hồ Chí Minh:

Từ những vấn đề địa kỹ thuật đã nêu ở trên trong thiết kế thi công đào hố móng sâu đối chiếu với điều kiện địa chất công trình của khu vực TP Hồ Chí Minh có thể thấy rõ tại đây có thể xảy ra những sự cố công trình khi thiết kế thi công hố móng sâu

Tại vùng B như trong bản đồ phân khu địa chất công trình đã chỉ rõ, mặt cắt địa chất công trình phổ biến theo dạng từ mặt đất đến độ sâu 2.0-3.0 mét là đất sét bột có tính lún ướt, kế tiếp xuống là lớp sét dẻo cứng đến cứng đến độ sâu từ 5.5 -11.0 mét, từ đó đến 40.0 -50.0 mét là một tầng chứa nước, nhiều nơi có áp cục bộ Trong mặt cắt địa chất công trình như vậy nếu thi công đào hố móng sâu thì có khả năng xảy ra hiện tượng mất ổn định đáy hố móng nếu dựa theo công thức của Terzaghi tính ra hệ số an toàn không đủ

Cũng trong vùng B còn có khả năng xảy ra hiện tượng mất ổn định bục đáy hố móng do ảnh hưởng của tầng nước ngầm trong mặt cắt địa chất công trình như đã nêu ở trên Khả năng thứ nhất khi đáy hố móng nằm trong tầng chứa nước cát pha và cát, khi thi công đào hố móng sâu lại áp dụng biện pháp bơm nước tháo khô làm cho độ dốc thủy lực lớn hơn độ dốc thủy lực tới hạn gây ra hiện tượng xói ngầm bục đáy gây mất ổn định Sự cố công trình xảy ra tại công trình đào móng xây tầng hầm ở đường Nguyễn Thị Minh Khai TP Hồ Chí Minh (công trình Pacific) là một ví dụ minh chứng cho trường hợp này Tại đây trong mặt cắt địa chất công trình hiện diện tầng nước dưới đất ở độ sâu 10 mét đến 40 mét, thành phần đất là cát pha và cát, mực nước nằm ở độ sâu 9 mét Khi thi công người ta đã đào xuống đến độ sâu 20 mét, đáy hố móng nằm lọt trong tầng cát pha và cát chứa nước có áp nhẹ Người ta đã áp dụng biện pháp bơm tháo khô, làm cho mực nước